Диссертация (785868), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Однако изготовленные по даннымтехнологиям антенны имеют ограниченную мощность излучения. Высокоймощностью излучения и хорошей технологичностью обладают волноводныеантенные системы.155Волноводные излучатели круглого поперечного сечения удовлетворяюттребованиям,предъявляемым кэлектрическойпрочностиигабаритнымхарактеристикам конструкции волноводной антенной решетки. Для согласованиясо свободным пространством в конструкции используется ступенчатый переход.Как известно, ступенчатые переходы имеют меньшую длину, чем плавные.
Таккак антенна низкопрофильная, то применять плавные переходы нецелесообразно.Рассматриваемые излучатели хорошо известны из литературы [113,114]. Ониприменяются в СВЧ диапазоне, миллиметровом и квазиоптическом диапазонах. Вэтих диапазонах используются щелевые и печатные антенные решетки, а такжезеркальные и линзовые антенны. Однако, если рабочие частоты превышают 20ГГц, такие антенны становятся трудно реализуемыми. Печатные антенны, имеютнизкую эффективность из-за больших потерь в распределительной системе.Апертурные антенны занимают больший объём, чем антенные решетки, и имеютбольшие массогабаритные параметры.
Волноводные излучатели, размещенные наодной или двух параллельных проводящих поверхностях плоского волновода, вСВЧ диапазоне позволяют создать компактную антенную решетку с малымипотерями. Для реализации требуемого фазового распределения могут бытьиспользованынеоднородныесредыилизамедляющиеструктурывраспределительной системе. В такой антенной решетке также легко реализоватьдвух поляризационный режим работы, путём размещения парных волноводныхэлементовсразличнойориентациейвпространствеилиприменениемполяризационных секций в круглом волноводе.Излучающий элемент образуется волноводом прямоугольного или круглогопоперечногосеченияивозбуждающимплоскимволноводом.Высотаволноводного излучателя может меняться в зависимости от положенияотносительнопитающеговолновода.Рассматриваемаяантеннаярешеткавыполняется в двух вариантах для работы на передачу и на прием, поэтомуцелесообразно проводить моделирование двух типов волноводных элементов,имеющих различные размеры.156Общий вид излучателя показан на рис.110.
Высота ступеньки излучателя иего диаметр выбираются исходя из согласования волновода со свободнымпространством.Рис.110. Электродинамическая модель излучателя.Электродинамическая модель элемента позволяет оптимизировать егопараметры по согласованию и определить характеристики излучения в дальнейзоне. Расчеты поля производятся в дальней зоне, которая моделируется спомощью открытых границ. Модель позволяет также оценить взаимное влияниеэлементов и краевые эффекты в антенной решетке путем введения периодическихграниц.
При этом получается зависимость КСВ от частоты с учетомвзаимодействия элементов в решетке и парциальная ДН элемента.По критерию минимального рассогласования излучателя с возбудителем,оптимальной высотой ступеньки является h=5 мм. Согласование такжеосуществляется подбором радиуса согласующего отрезка круглого волновода.Расчетыпоказывают,чтооптимальнаявысотаступенькипокритериюсогласования излучателя составляет h=5 мм и оптимальный радиус согласующегоперехода r=8 мм.Целесообразно также провести оптимизацию излучателя по другимпараметрам, например, по толщине верхней пластины антенного полотна h1. Нарис.111 показана зависимость КСВ от частоты для различных значений толщиныверхней пластины.157Рис.111. Зависимость КСВ от частоты для различных значений толщины верхнейпластины антенного полотна.Из рис.103 видно, что допустимое значение КСВ может быть достигнутопри толщине пластины h1=10 мм.
Дальнейшее уменьшение этого размеранецелесообразно, т.к. при этом будет уменьшаться механическая прочностьантенного полотна.Аналогично проводится оптимизация излучателя по согласованию и врежиме приема. По критерию минимального рассогласования излучателя свозбудителем, оптимальной высотой ступеньки является h=5 мм. Согласованиетакже осуществляется подбором радиуса согласующего отрезка круглоговолновода.
Расчеты показывают, что оптимальная высота ступеньки по критериюсогласования излучателя составляет h=5 мм и оптимальный радиус согласующегоперехода r=11 мм.Характеристики направленности элемента антенной решетки в вертикальнойи горизонтальной плоскости представлены на рис.112 в диапазоне на передачу ина рис.113 на прием.158Рис.112. ДН излучателя при работе на передачуРис.113. ДН излучателя при работе на прием.159Таким образом, определены оптимальные размеры элементов антеннойрешетки по критерию наилучшего согласования. Целесообразно также рассчитатьварианты элементов, заполненных диэлектриком. Такое заполнение позволяет нетолько уменьшить размеры элементов, но и учесть влияние защитного покрытияизлучателей. С помощью пакета электродинамического моделирования CSTMicrowaveStudioпредставленногопроведенаввидепараметрическаякруглоговолновода.оптимизацияАтакжеизлучателя,исследованыхарактеристики направленности и частотные характеристики этого излучателя.При моделировании антенного полотна необходимо определить схемуразмещения элементов.
Здесь возможны три варианта: размещение элементов вузлах прямоугольной сетки, гексагональной сетки и по концентрическимокружностям. Так как антенна с механическим сканированием, то шагизлучателей в решетке может быть увеличен до 0,7λ. По количеству элементов, атакже для сохранения характеристик направленности при сканировании вгоризонтальной плоскости наиболее подходящим вариантом является размещениеэлементов по концентрическим окружностям.
Кроме того, необходимо размещатьэлементы в пределах диаметра d=300 мм, т.к. по периметру антенного полотнапроходит соединение с распределительной системой и нижним диском. Причемвнутренняяповерхностьэтогосоединениядолжнабытьвыполненаизрадиопоглощающего материала для обеспечения режима бегущей волны.Принципработыданнойраспределительнойраспределительной системе ВЩАР.системыаналогиченНа рис.114 показаны возможные схемыразмещения элементов в полотне антенной решетки, работающей на прием. Нарис.114: а- гексагональная сетка размещения элементов, б - прямоугольная сеткаразмещения элементов, в - кольцевая концентрическая антенная решетка (ККАР),г - ККАР, совмещенная с гексагональной структурой.
Из рис.114г видно, чтоквадратный раскрыв с прямоугольной сеткой или гексагональной структуройобладает некоторой избыточностью элементов по сравнению с круглымраскрывом.160Рис.114. Схемы размещения элементов в полотне антенной решетки,работающей на прием.Целесообразно выбрать схему размещения в виде концентрическихокружностей, т.к. она позволяет осуществлять широкоугольное сканирование поазимуту без искажения характеристик направленности и имеет минимальноечисло элементов.
Однако, при возбуждении антенного полотна радиальнымволноводом необходимо учитывать структуру поля в распределительной системе.Фазовое распределение внутри радиального волновода можно изменить спомощью замедляющей системы, тогда координаты размещения элементов будутопределяться структурой замедляющей системы. В этом случае для практической161реализации будут подходить все три схемы размещения элементов в антенномполотне.
Аналогично можно рассчитать параметры схемы размещения элементовв антенной решетке, работающей на передачу. Как и в режиме приема, размещатьэлементы целесообразно в пределах диаметра d=600 мм, т.к. по периметруантенного полотна проходит соединение с распределительной системой и нижнимдиском. Шаг излучателей в данном случае увеличивается за счет перехода вдругой диапазон частот.При размещении излучателей на расстоянии d=0,925λ и диэлектрическомзаполнениираспределительнойсистемыматериаломсдиэлектрическойпроницаемостью εr=1,17, количество элементов существенно сокращается.Аналогично можно рассчитать параметры схемы размещения элементов вантенной решетке, работающей на передачу. Целесообразно также подобратьматериалы для заполнения распределительной системы и апертуры.
Как известно,материалы, диэлектрическая проницаемость которых близка к диэлектрическойпроницаемости воздуха, обладают малой плотностью, а, следовательно, и малойэлектрической и механической прочностью.Электрофизические параметры некоторых диэлектриков представлены втаблице 4.Таблица 4ОтносительнаяТипдиэлектрикадиэлектрическаяпроницаемость, εСтироформПенистыйполистиролТангенс угладиэлектрическихпотерь, tgδДлинаволны,см1,031,5 х 10-431,03 – 1,13,0 х 10-510162Пористый1,506,0 х 10-430Полипропилен2,004,0 х 10-430Тефлон2,101,5 х 10-410Фторопласт2,00 – 2,22,0 х 10-4302,265,0 х 10-43полиэтиленСплошнойполиэтиленДляулучшенияхарактеристикнаправленностиантенныжелательноиспользовать материалы с диэлектрической проницаемостью близкой к единице.Обычные материалы с низкой диэлектрической проницаемостью представляютсобой либо вспененные материалы (пенопласты, вспененные полиэтилены илифторопласты), либо различные сотовые структуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
